导航盲杖的机械设计原理

2014-11-10李宾李聪聪孙颖部德强

科技创新导报 2014年12期

李宾　李聪聪　孙颖　部德强

摘要：该文介绍的作品是一个为了方便盲人行走、加入了感觉障碍物方位和感应路面情况的导盲装置，辨别障碍方向的杠杆传动机构以及辨别路面凹凸情况的摆动导杆机构可以使盲人朋友在生活中行动自如，不再因自己感觉不到障碍物而困扰。盲人朋友手持手柄即可以感触到障碍物及路面凹凸情况。作品含有射频识别装置、超声波避障模块、语音模块。其中，射频识别装置可以完成对路面导航标签的识别以达到导航的目的，超声波避障模块则可以完成对悬空障碍物的识别。

关键词：导盲障碍物检测射频识别

中图分类号：TP249 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）04（c）-0065-03

在生活中，我们往往会忽视一样我们的“心灵之窗”——眼睛，我们每人都会忽视它而不会保护它，但当你体会了盲人的生活，你就会知道眼睛是多么的重要。当我们蒙着眼睛去体会失去眼睛该怎么走路、日常工作时，才能真正体会盲人不能感知外界事物的痛苦。

作品的研究目标是为了方便盲人行走，使其感觉障碍物方位和感应路面情况的导盲装置，辨别障碍方向的杠杆传动机构以及辨别路面凹凸情况的摆动导杆机构可以使盲人学生在校园行动方便，不再因自己感觉不到障碍物而困扰。盲人朋友手持手柄即可以感触到障碍物及路面凹凸情况。作品含有射频识别装置可以完成对路面导航标签的识别，达到导航的目的。

1 设计方案

1.1 作品底部行动机构

行动机构是由辨别障碍方向的杠杆传动部分以及辨别路面凹凸情况的摆动导杆机构构成。其中零部件为感触杆、万向轮、铰链、软铁丝、弹簧。6个万向轮与地面接触，其中铰链上的5个感触杆用来接触障碍物，连接件上的万向轮通过导杆机构反馈地面凹凸情况。每两个轮子之间的角度是45°，整体范围为180°，铰链与中间固定杆连接。

1.2 行动机构中辨别障碍方向的杠杆传动部分

行动机构中辨别障碍物方向的杠杆传动中，其中铰链上的5个感触杆用来接触障碍物，这样就构成了一个力偶机构。首先我们的铰链和感触杆L11，L21，L31，L41，L51的底端通过弹簧相连接，L11，L21，L31，L41，L51的顶端和软铁丝相连接，而软铁丝和球型铰链相连接，这样，就构成了一个简单的力偶矩结构，形成一对方向相反的力偶。当带有杠杆传动部分的感触杆碰到某个方位的障碍物，这个障碍物时会相应的给感触杆一个力，然后杆L11的底端就会受到反作用力，方向指向靠近中间固定杆，由于两个力偶的方向相反，L11杆的顶端就会受到一个远离中间固定杆的力，这个力带动软铁丝L12，继而拉动手柄上的球型铰链，手柄向障碍物相反的方向摆动，握着手柄的盲人同学就会感受到LII所在的方向碰到了障碍物。

当这个感触杆L21碰到障碍物时会受到一个外力，然后杆L21的底端就会受到一个远离中间固定杆的力，这个力带动软铁丝L22，继而向相应方向摆动，握着手柄的盲人同学就会感受到L2I所在的方向碰到了障碍物。同理L31，L41，L51等所在方向的应用也是如此如图1所示。

这里的弹簧起到支持、回复原状的作用，当路面无障碍物的时候，弹簧可以保持机构稳定，而遇到障碍物后，避开后则会恢复原状。

1.3 作品底部辨别路面凹凸情况的摆动导杆部分

凹凸部分是利用摆动导杆机构，实现路面凹凸感知功能的。如说明图，图2所示，5个圆形万向轮与铰链相连，铰链与万向轮连接部分可以上下转动，因此当发生路面的颠簸或者障碍物的阻挡情况时，万向轮出现上下摆动，带动导杆上下移动，继而传递到手柄部分，盲人便可以通过手部的触觉，感知路面的情况。在压过凸起障碍物或者上坡时，万向轮上翘，使导杆下移；在遇到坑陷或者下坡时，万向轮下垂，使导杆上移。所以，使用者可以根据导杆的上下移动以及整体的受力情况，可以较为准确地推测出即将通过的相应路面的实际情况（图3）。

1.4 上部手柄方向转动

上部手柄部分包括球型铰链，手柄。当杠杆传动部分的感触杆受到障碍物的作用力，带动软铁丝，将力传递到手柄部分。具体流程是杆体通过球型铰链与手柄相连，当受到某个方向的力的作用时，铁丝拉动球型铰链上端带孔装置，而孔的方向与下部5个万向轮方向一一对应，位置上完全相反，这样会使手柄转动方向与障碍物的位置方向完全相反，方便身体感知。并且与导杆连接时，感受路面凹凸情况。例如左上方障碍物，手柄会向右下转动。符合人体感受事物的方向特征，更直观的感受障碍物方向，加之感受此处路段路面情况。

1.5 固定支架

如图4，固定支架是由一个中间固定杆和连接件组成，其中万向轮固定在连接件圆柱体部分中心。盲人校园通的支架起固定作品行动机构的作用，支架地面的万向轮与行动机构的另外5个万向轮组成一个平衡系统，使作品能够在这个平衡力的作用下保持平衡并且灵活的使用。

1.6 射频识别技术

射频技术（RFID）可以完成对含有路面导航标签建筑物的识别，从而达到导航的目的。我们通过射频识别技术使无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，在作品行动机构部分里的万向轮的连接件底部接入一个读卡器（Reader），各个建筑、路标等地安置路面导航标签即应答器（Transponder）。读卡器识别导向信息接收解读数据，做相应的处理后通过语音提示盲人目前位置，达到导航的目的。射频识别的优势是无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，FID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。

1.7 超声波避障技术

超声波避障技术可以完成对路面悬空障碍物的识别，已达到避障目的。超声波避障技术通过超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物被反射回来，再被超声波传感器接收从而识别悬空处障碍物，并通过单片机系统做相应的处理后，语音提示盲人朋友，以帮助盲人躲避悬空处障碍物。endprint

超声波避障的优点是实现方法简单技术成熟，受外界环境因素影响小、灵敏性强，相对于其他传感器，探测距离更长，精度更高等优点。

1.8 语音技术

语音技术通过单片机系统、超声波传感器，射频识别及语音模块组成。射频识别装置接收信号后传递到单片机系统，单片机系统通过控制语音模块进行语音导航提示，以帮助盲人朋友确定所在位置。其次是当超声波传感器发出超声波，遇到障碍物被反射回来后，信号传到单片机系统并通过单片机系统控制的语音模块进行语音提示，以帮助盲人朋友辨别障碍物所在位置，达到帮助盲人导航及避障的目的。从而为盲人朋友的行走提供便利。

语音模块优点是语音模块能帮助盲人朋友在行走中摆托障碍物所带来的困扰及黑暗世界给他们带来的不便。

其次它是通过清楚明了的提示性语言为盲人朋友提供帮助，让盲人朋友更加精确地辨别障碍物所处位置，以便能让盲人朋友更好的避开障碍物。达到提示避障目的。

2 工作原理及性能分析

2.1 辨别障碍方向的杠杆传动部分

障碍物时会受到一个外力，然后感触杆L21的底端就会受到一个向里的力，而L21杆的顶端就会受到一个向外的力，这个外力就会拉动软铁丝L22，感触杆拉动手柄，手柄就会向与障碍物相反的方向摆动动。

2.2 辨别路面凹凸情况的部分

利用摆动导杆机构，实现路面凹凸感知功能，每个万向轮带动导杆上下移动，在压过凸起障碍物或者上坡时，万向轮上翘，使导杆下移；在遇到坑陷或者下坡时，万向轮下垂，使导杆上移。

2.3 上部手柄感知部分

上部手柄部分包括球型铰链，手柄。当杠杆传动部分受到障碍物的作用力，拉动软铁丝，将力传递到手柄部分。

2.4 射频识别技术

利用射频识别技术，在作品行动机构部分里的万向轮的铰链底部接入一个阅读器（Reader），各个建筑、路标等地安置导向电子标签即应答器（Transponder），利用射频识别装置，当路过贴有导向电子标签时，读卡器读取导向信息，通过语音提示盲人所在位置，以及周边道路和建筑物的信息，达到导航的目的。

2.5 超声波避障技术

利用超声波避障技术，在作品中安装了超声波传感器，通过超声波的回声定位的特性确定悬空处是否有障碍物及障碍物所在位置，从而通过语音提示盲人朋友避开障碍物，达到避障目的。

3 创新点及应用

3.1 辨别障碍物方向

杠杆受到前进阻力，上下两端形成一个方向相反的力偶，带动软铁丝，使手柄向与障碍物方向相反方向摆动。

3.2 辨别路况信息

3.3 语音导航功能

射频读卡器，读取路面导航标签，进行语音提示导航。

4 结语

在国内外，没有很好的仪器来帮助盲人，而且盲道周围的状况并不好，平时总能看到自行车停在盲道上，或者是树枝垂落在盲道上空，可想而知，这样的状况是不能方便盲人行走的。而且对于没有自理能力的盲人来说，导盲犬的价格也不是每一个盲人能够承受的起的，在这样的情况下，我们这样一个新颖的设计必能给盲人带来新的曙光，低廉的价格和实用性都是此设计的巧妙点。本作品为原创方案，我们设计的初衷是帮助盲人用最小的成本、最方便地行走在盲道上，减少他们的不便。在设计中，我们也人性化地考虑到了盲人行走的速度，这样提示的时效性就更为明显了本作品的价格对于盲人朋友可以接受，并且操作简单，可以得到大量的推广使用。并且我们认为经过我们进一步完善我们作品，此作品可以在社会上得到大量推广占有一定的市场。

参考文献

[1] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[2] 徐锦康.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3] 孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.